Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een belangrijke computercode geüpgraded voor het berekenen van krachten die inwerken op magnetisch opgesloten plasma in fusie-energie-experimenten. De upgrade zal deel uitmaken van een reeks rekentools waarmee wetenschappers het ontwerp van faciliteiten in de vorm van een ontbijt-cruller, bekend als stellarators, verder kunnen verbeteren. Samen, de drie codes in de suite kunnen wetenschappers helpen om efficiënte fusiereactoren dichter bij de realiteit te brengen.

Met de herziene software kunnen onderzoekers de grens van plasma in stellarators gemakkelijker bepalen. Bij gebruik in combinatie met twee andere codes, de code kan helpen bij het vinden van een stellaratorconfiguratie die de prestaties van het ontwerp verbetert. De twee complementaire codes bepalen de optimale locatie voor het plasma in een stellaratorvacuümkamer om de efficiëntie van de fusiereacties te maximaliseren, en bepaal de vorm die de externe elektromagneten moeten hebben om het plasma in de juiste positie te houden.

De herziene software, genaamd de "vrije grens getrapte druk evenwichtscode (SPEC), " is een van een reeks hulpmiddelen die wetenschappers kunnen gebruiken om de prestaties van plasma aan te passen om gemakkelijker fusie-energie te creëren. "We willen zowel de plasmapositie als de magnetische spoelen optimaliseren om de kracht in evenwicht te brengen die het plasma doet uitzetten terwijl het in plaats, " zei Stuart Hudson, natuurkundige, plaatsvervangend hoofd van de Theorie-afdeling bij PPPL en hoofdauteur van de paper die de resultaten rapporteert in Plasmafysica en gecontroleerde fusie .

"Op die manier kunnen we een stabiel plasma creëren waarvan de kans groter is dat de deeltjes samensmelten. De bijgewerkte SPEC-code stelt ons in staat te weten waar het plasma zal zijn voor een bepaalde set magnetische spoelen."

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - en genereert daarbij enorme hoeveelheden energie in de zon en de sterren. Wetenschappers proberen fusie in apparaten op aarde te repliceren voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone stroom om elektriciteit op te wekken.

Plasmastabiliteit is cruciaal voor fusie. Als plasma rondstuitert in een stellarator, het kan ontsnappen, koel, en de fusiereacties afremmen, in feite het fusievuur doven. Een eerdere versie van de code, ook ontwikkeld door Hudson, kon alleen berekenen hoe krachten een plasma beïnvloeden als de onderzoekers de locatie van het plasma al wisten. onderzoekers, echter, hebben die informatie meestal niet. "Dat is een van de problemen met plasma's, ' zei Hudson. 'Ze bewegen overal.'

De nieuwe versie van de SPEC-code helpt het probleem op te lossen door onderzoekers in staat te stellen de grens van het plasma te berekenen zonder de positie van tevoren te kennen. Gebruikt in coördinatie met een spoelontwerpcode genaamd FOCUS en een optimalisatiecode genaamd STELLOPT - die beide ook zijn ontwikkeld bij PPPL - laat SPEC natuurkundigen er tegelijkertijd voor zorgen dat het plasma de beste fusieprestaties heeft en dat de magneten niet te ingewikkeld zijn om bouwen. "Het heeft geen zin om de vorm van het plasma te optimaliseren en er later achter te komen dat de magneten ongelooflijk moeilijk te construeren zijn, ' zei Hudson.

Een uitdaging waarmee Hudson en collega's werden geconfronteerd, was controleren of elke stap van de code-upgrade correct was uitgevoerd. Hun langzame en gestage aanpak was cruciaal om ervoor te zorgen dat de code nauwkeurige berekeningen maakt. "Laten we zeggen dat je een onderdeel ontwerpt dat met een raket naar de maan gaat, Hudson zei. "Het is heel belangrijk dat dat deel werkt. Dus je test en test en test."

Het bijwerken van een computercode vereist een aantal in elkaar grijpende stappen:

• Eerst, wetenschappers moeten een reeks wiskundige vergelijkingen die het plasma beschrijven, vertalen in een programmeertaal die een computer kan begrijpen;
• Volgende, wetenschappers moeten de wiskundige stappen bepalen die nodig zijn om de vergelijkingen op te lossen;
• Eindelijk, de wetenschappers moeten controleren of de code de juiste resultaten oplevert, ofwel door de resultaten te vergelijken met die van een code die al is geverifieerd, of door de code te gebruiken om eenvoudige vergelijkingen op te lossen waarvan de antwoorden gemakkelijk te controleren zijn.

Hudson en collega's voerden de berekeningen uit met zeer verschillende methoden. Ze gebruikten potlood en papier om de vergelijkingen en oplossingsstappen te bepalen, en krachtige PPPL-computers om de resultaten te verifiëren. "We hebben aangetoond dat de code werkt, Hudson zei. "Nu kan het worden gebruikt om huidige experimenten te bestuderen en nieuwe te ontwerpen."